Un nuevo acero inoxidable sorprende a los científicos por su resistencia a la corrosión

Un equipo de investigadores de la Universidad de Hong Kong (HKU) presentó un nuevo tipo de acero inoxidable que podría superar una limitación importante de los aceros convencionales y, a su vez, reducir significativamente los costos de producción de hidrógeno verde.

Dirigido por el Profesor Mingxin Huang, el equipo desarrolló el acero inoxidable para hidrógeno (SS-H₂), un material diseñado para resistir la corrosión severa en condiciones que los aceros tradicionales no pueden soportar.

Este avance forma parte del proyecto "Super Steel" del profesor Huang, quien ya había desarrollado en 2021 un acero inoxidable con propiedades anti COVID, así como formas de acero super resistente en 2017 y 2020.

Un acero para el hidrógeno verde

El SS-H₂ se destaca por su resistencia a la corrosión, lo que lo convierte en una opción viable para sistemas que producen hidrógeno verde utilizando agua de mar, un área donde los investigadores aún buscan tecnologías prácticas y sostenibles.

El hidrógeno puede ser producido mediante electrólisis, un proceso que utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Cuando esta electricidad proviene de fuentes renovables, el combustible resultante se denomina hidrógeno verde. Sin embargo, el equipo utilizado para la electrólisis debe resistir condiciones químicas y eléctricas exigentes, especialmente cuando se involucra sal.

En un electrólito de agua salada, el nuevo acero mostró un rendimiento comparable a los componentes estructurales de titanio que actualmente se utilizan para producir hidrógeno a partir de agua de mar desalada o soluciones ácidas. La diferencia clave radica en el costo: el SS-H₂ es considerablemente más económico.

Los hallazgos se publicaron en la revista Materials Today en un estudio titulado "Una estrategia de doble pasivación secuencial para el diseño de acero inoxidable utilizado en la oxidación del agua". Los investigadores han solicitado patentes que cubren la tecnología en varios países, y dos de estas patentes ya han sido autorizadas.

Por qué el acero inoxidable convencional tiene límites

El acero inoxidable se ha utilizado durante aproximadamente un siglo y se ha convertido en uno de los materiales más importantes en aplicaciones donde la corrosión es una preocupación. Gran parte de su durabilidad proviene del cromo.

Cuando el cromo (Cr) en el acero reacciona con su entorno, forma una delgada película protectora en la superficie. Esta capa pasiva ayuda a prevenir que el metal subyacente continúe corroyéndose. Sin embargo, en los aceros inoxidables convencionales, esta protección tiene un límite importante.

El óxido de cromo protector, Cr₂O₃, puede sufrir una oxidación adicional y formar especies solubles de Cr(VI). Una vez que esto sucede, la superficie puede entrar en una forma de degradación conocida como corrosión transpasiva.

En el acero inoxidable convencional, este proceso puede ocurrir a aproximadamente ~1000 mV (electrodo de calomelanos saturado, SCE). La oxidación del agua, una reacción esencial durante la electrólisis, requiere un potencial considerablemente más alto, de aproximadamente ~1600 mV. Esta discrepancia ha impedido que el acero inoxidable convencional se utilice de manera efectiva en algunas aplicaciones electroquímicas de alto voltaje.

A pesar de que el acero inoxidable super 254SMO, considerado una aleación de referencia con excelente resistencia a la corrosión en agua de mar, enfrenta este mismo problema, su resistencia a la corrosión disminuye cuando el potencial eléctrico se vuelve suficientemente alto.

Una sorprendente segunda capa protectora

El grupo del profesor Huang encontró una manera de sortear esta limitación de larga data utilizando lo que los investigadores denominan "pasivación dual secuencial". En lugar de depender únicamente de la capa protectora de óxido de cromo, el SS-H₂ desarrolla otra capa protectora encima de ella, basada en manganeso, que comienza a formarse a aproximadamente ~720 mV.

Juntas, las dos capas permiten que el acero resista la corrosión en ambientes que contienen cloruros a potenciales que alcanzan los 1700 mV. Los cloruros, que son abundantes en el agua de mar, son particularmente agresivos para muchos metales y pueden causar corrosión localizada.

Alcanzar los 1700 mV es importante porque lleva el material más allá del potencial necesario para la oxidación del agua. Por lo tanto, los investigadores consideran que el SS-H₂ representa un avance fundamental sobre el acero inoxidable convencional.

Lo que hace que el resultado sea especialmente sorprendente es el papel que desempeña el manganeso. Tradicionalmente, se ha considerado que el manganeso perjudica la resistencia a la corrosión del acero inoxidable.

"Inicialmente, no lo creímos porque la opinión predominante es que el Mn afecta negativamente la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. La pasivación basada en Mn es un descubrimiento contraintuitivo, que no puede explicarse con el conocimiento actual en ciencia de la corrosión. Sin embargo, cuando se presentaron numerosos resultados a nivel atómico, nos convencimos. Más allá de la sorpresa, no podemos esperar para explotar el mecanismo", afirmó Dr. Kaiping Yu, primer autor del estudio, cuyo doctorado es supervisado por el profesor Huang.

Casi seis años de investigación

El proyecto tomó casi seis años, comenzando con el descubrimiento del acero inusual y continuando con esfuerzos para entender por qué se comportaba de esta manera a nivel atómico. El trabajo finalmente progresó hacia la publicación y el posible uso industrial.

En lugar de concentrarse principalmente en cómo las aleaciones resisten la corrosión en condiciones ordinarias, el grupo del profesor Huang se ha enfocado en desarrollar materiales que permanezcan estables a potenciales eléctricos mucho más altos.

"A diferencia de la comunidad actual de corrosión, que se centra principalmente en la resistencia a potenciales naturales, nosotros nos especializamos en el desarrollo de aleaciones resistentes a altos potenciales. Nuestra estrategia superó la limitación fundamental del acero inoxidable convencional y estableció un paradigma para el desarrollo de aleaciones aplicables a altos potenciales. Este avance es emocionante y trae nuevas aplicaciones", destacó el profesor Huang.

Una reducción potencial de 40 veces en los costos de materiales

Las implicaciones económicas podrían ser sustanciales. Los electrólitos que operan con agua de mar desalada o soluciones ácidas actualmente requieren componentes costosos de titanio recubiertos con oro o platino. Estos materiales pueden representar una gran parte del costo de un sistema de electrólisis.

Según los investigadores, un sistema de tanque de electrólisis PEM de 10 megavatios cuesta actualmente aproximadamente 17,8 millones de HK$. PEM se refiere a la electrólisis de membrana de intercambio protónico, una tecnología que utiliza un sistema de membrana eléctricamente alimentado para separar el agua en hidrógeno y oxígeno.

Los componentes estructurales pueden representar hasta el 53% del costo total del sistema. Los investigadores creen que el SS-H₂ podría reemplazar algunos de esos componentes costosos con un acero mucho más económico. Sus estimaciones sugieren que el uso del nuevo material podría reducir el costo de los materiales estructurales en aproximadamente 40 veces, lo que le otorga un considerable potencial para la producción industrial de hidrógeno.

Pasando del laboratorio a la industria

Aún quedan importantes desafíos de ingeniería antes de que el material pueda implementarse ampliamente. Los electrólitos requieren componentes en formas prácticas, como mallas metálicas y espumas, por lo que el rendimiento de laboratorio por sí solo no es suficiente.

Sin embargo, los investigadores han comenzado a mover el SS-H₂ hacia una producción a gran escala. "Desde materiales experimentales hasta productos reales, como mallas y espumas, para electrólitos de agua, todavía hay tareas desafiantes por delante. Actualmente, hemos dado un gran paso hacia la industrialización. Se han producido toneladas de alambre basado en SS-H₂ en colaboración con una fábrica de la parte continental. Estamos avanzando en la aplicación del SS-H₂ más económico en la producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables", agregó el profesor Huang.

La combinación de alta resistencia a la corrosión y costos de materiales mucho más bajos podría hacer que el SS-H₂ sea especialmente valioso si funciona de manera confiable en electrólitos comerciales. Si la tecnología logra hacer la transición de acero experimental a componentes industriales, podría proporcionar una vía más económica para producir hidrógeno verde a partir de energía renovable y agua de mar.